《过程控制与自动化仪表》 教案 7.典型的控制规律

《过程控制与自动化仪表》课程教案NO.7授课班级周次日期任课教师复习提问系统校正的方式学习模块模块三控制规律学习任务任务2典型的控制规律授课内容典型的控制规律课时4教学目标知识目标：1.了解常用的典型控制规律；2.熟悉典型控制规律控制特点；3.具备自动控制系统典型控制规律校正的能力。能力目标：1.通过分组合作完成教学任务，让学生知道如何运用所学知识进行实践操作，加强学生的动手、动脑能力；2.培养学生自主学习能力和分工合作、团结协作共同寻求解决问题的能力。素质目标：1.培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：自动控制系统典型控制规律校正。难点：自动控制系统典型控制规律校正。授课过程步骤内容方法、资源运用1位式控制启发式、多媒体课件2比例控制启发式、多媒体课件3微分控制启发式、多媒体课件4积分控制启发式、多媒体课件5授课方式讲授的教学方式教学地点多媒体教室教学资源设备、工具等：投影系统、PPT电子课件

教学时间教学内容注释5分钟回顾上节课内容，进行复习提问。170分钟相关知识1.位式控制（1）双位控制理想双位控制规律的数学表达式为当e＞0时，u(t)=umax；当e＜0时，u(t)=umin。案例分析：一个温度双位控制系统示意图。温度双位控制系统示意图（2）具有中间区的双位控制实际双位控制输出特性实际双位控制的过程曲线2.比例控制（1）比例控制规律及其特点数学表达式：Δu是控制器输出变化量；Kc是控制器的放大倍数，即比例增益；e是控制器的输入，即偏差。偏差作用下的比例控制器的开环输出特性（2）比例度通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范围。比例度定义为：此时比例度表示为：式中，（3）比例增益对过渡过程的影响比例控制是有余差的控制。比例度δ对闭环系统稳定性的影响。通常，工业上常见系统的比例度的参考选取范围如下:压力控制系统为30％~70％；流量控制系统为40％~100％；液位控制系统为20％~80％；温度控制系统为20％~60％。3.积分控制（1）积分控制规律及其特点数学表达式：KI为控制器的积分速度；TI为控制器的积分时间（TI=1/KI）。偏差作用下的积分控制器的开环输出特性虽然可以消除余差是积分控制的显著优点，但积分作用的落后性，结果往往超调，使被控变量波动得很厉害，引入积分作用后会使系统易于振荡。因此生产上都是将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律来使用。积分作用的落后性（2）比例积分控制规律与积分时间数学表达式：将比例作用与积分作用组合成比例积分（PI）控制规律来使用，既能及时控制，又能消除余差。比例积分控制器的输入与输出特性曲线积分时间的测定在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间。积分时间的测定（3）积分时间对系统过渡过程的影响δ不变时ＴＩ对过渡过程的影响一般情况下的大致范围如下：压力控制：min；流量控制：min；温度控制：min；液位控制：一般不需积分作用。4.微分控制（1）微分控制规律及其特点数学表达式：为控制器的微分时间。微分控制是根据偏差的变化趋势进行动作的，从而避免产生较大的偏差，还可以缩短控制时间。理想微分控制器输出特性（2）比例微分控制规律及微分时间数学表达式：微分作用与比例作用结合，构成比例微分控制规律（PD）。比例微分控制器输出特性（3）比例微分控制系统的过渡过程微分时间的大小对系统过渡过程的影响若TD取得太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微，如图中曲线①所示；选取适当的TD，系统的控制指标将得到全面的改善，如图中曲线②所示；但若TD取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡，如图中曲线③所示。（4）比例积分微分控制数学表达式：理想PID实际PID比例控制是基本的控制方式，自始至终起着与偏差相对应的控制作用；引入积分控制后，可以消除纯比例控制无法消除的余差；而加入微分控制，则可以在系统受到快速变化干扰的瞬间，及时加以抑制，增加系统的稳定程度。将三种方式组合在一起。比例积分微分控制器输出特性PID控制器各种组合控制效果图各类生产过程对象常用的控制规律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量中混有干扰，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。（大屏幕投影）讲解位式控制的特点，并用案例进行分析，让学生加深印象。同时进一步理解位式在工程上的作用及意义。（大屏幕投影）讲解比例控制的特点，比例度定义、意义及选取范围。（大屏幕投影）讲解积分控制和比例积分控制的特点